气液平衡实验报告

一．实验目的测定苯－正庚烷二元体系在常压下的气液平衡数据；通过实验了解平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能；应用Wilson方程关联实验数据。二．实验原理气液平衡数据是化学工业发展新产品、开发新工艺、减少能耗、进行三废处理的重要基础数据之一。化工生产中的蒸馏和吸收等分离过程设备的改造与设计、挖潜与革新以及对最佳工艺条件的选择，都需要精确可靠的气液平衡数据。这是因为化工生产过程都要涉及相间的物质传递，故这种数据的重要性是显而易见的。平衡数据实验测定方法有两类，即间接法和直接法。直接法中又有静态法、流动法和循环法等。其中循环法应用最为广泛。若要测得准确的气液平衡数据，平衡本实验用的小型平衡釜主要特点是釜外有真空夹套保温，釜内液体和气体分别形成循环系统，可观察釜内的实验现象，且样品用量少，达到平衡速度快，因而实验时间短。1A和B两容器中取样分析，即可得到一组平衡数据。图1平衡法测定气液平衡原理图即逸度相等，其热力学基本关系为：i常压下，气相可视为理想气体，Φ=1；再忽略压力对液体逸度的影响，fi=pi0，i从而得出低压下气液平衡关系式为：式中，p 体系压力（总压）；pi0 i在平衡温度下饱和蒸气压；xi、分别为组分i在液相和气相中的摩尔分率；ri i的活度系数；由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计算不同组成下的活度系数：计算出不同组成下的活度系数：本实验中活度系数和组成关系采用Wilson方程关联。Wilson方程为：目标函数选为气相组成误差的平方和，即：三、实验装置和试剂准确、气相中不夹带液滴、液相不返混及不易爆沸等。本实验用气液双循环的小平衡釜，其结构如图2所示。阿贝折射仪一台。超级恒温槽一台（4）50-100十分之一的标准温度计一支、0-50十分之一的标准温度计一支。所用试剂（苯、正庚烷）为优级品。注射器（1ml、5ml）若干。图2小气液平衡釜示意图四、实验过程首先开启超级恒温槽，调节温度至测定折射率所需温度25℃。100毫U型（说明系统是密闭的（已由教师检测完成我们做的是常压下的气液平衡，当天的大气压需要读出。在平衡釜内加入一定浓度的苯—正庚烷混合液约已加好），使液体处在图2中加料液面处，一般由实验点数决定，通常取摩尔浓度在0.1-0.15之间变化，故开始加入的浓度可使轻组分含量较多，然后慢慢增加重组分的浓度。打开0.1A，5min后给慢慢调到0.25A左右即可，以平衡釜内液体沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒2-3滴。稳定地回流15min左右，以建立平衡状态。用注射器从釜中取出3ml的混合液，然后加入4或5ml5次，得到不同组成下平衡组成。实验完毕，关掉电源和水源。五、实验数据记录和处理通过多次改变混合液的组成，得到五组实验数据如下表1所示：（一）混合液气液平衡时原始数据主液相折射率液相组成（%）气相折射率气相组成（%）94.0025.00主液相折射率液相组成（%）气相折射率气相组成（%）94.0025.001.394621.41.396524.488.5524.801.401530.41.413445.087.9025.801.410641.21.419650.886.1525.111.415046.61.430259.284.2524.501.427056.81.442068.8

表1实验数据记录表（二）实际平衡温度的计算平衡温度的计算方法如下：t =t +t +t实际 主 修正 校正其中：t校正=kn(t主-t辅) k取0.00016；n取60℃；t （表的修正温度。表2温度计修正记录表温 50 55度6065707580859095100修 0.01 0.07正0.10.120.090.050.080.070.070.090.08例如使用t主=87.9℃为例：（当x=87.9时，修正值：0.069）

85修正值808580900.08858085900.07908090850.07经过计算得到液体平衡时实际的温度如表3所示：表3气液平衡时实际温度t （℃）主（℃）t辅t （℃）修正t （℃）校正t （℃）实际94.0025.000.08840.662494.750888.5524.800.06890.612089.230987.9025.800.06880.596288.565086.1525.110.06910.586086.805184.2524.500.07080.573684.8944（三）苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压和活度系数的计算苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压的计算由Antoine（安托尼）公式：lgPi0=Ai–Bi/(Ci+t)式中：t—温度，℃（即计算所得的实际温度） P0—饱和蒸汽压，mmHg所以可得到：Pi0=10(Ai-Bi/(Ci+t))纯物料的Antoine常数见表4表4：纯物料的安托尼常数组分组分苯A6.87987B1264.37C216.64t范围（℃）15～843～127以87.90℃为例：苯的饱和蒸气压p10=10(6.87987-1196.76÷(219.161+88.5650))=979.10mmHg正庚烷的饱和蒸气压P20=10(6.89386-1264.37÷(216.64+88.5650)=563.86mmHg计算五组纯组分饱和蒸汽计算结果见表5表5：纯组分饱和蒸汽在实验温度下计算结果组号组号P10/mmHgP20/mmHg1681.492575.693979.104929.915苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的活度系数的计算由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计算不同组成下的活度系数：以87.90℃为例计算：γ1

py1x

76050.800.957041.2979.10γ py

11760(10050.80) 2 xp022

1.127841.2)563.86表6苯和正庚烷活度系数计算表实际组成（%）组成（%实际组成（%）组成（%）蒸气压和蒸气压系数度系数（mmHg）（mmHg）94.750821.424.41168.05681.490.74181.072689.230930.445.0998.21575.691.12701.043288.565041.250.8979.10563.860.95701.127886.803646.659.2929.90533.481.03831.088584.894456.868.8878.77502.041.04761.0933

苯的液相

苯的气相

苯的饱和

正庚烷饱

苯的活度

正庚烷的活（四）用非线形最小二乘法回归配偶参数Λ 、Λ12 21

并求液相组成活度系数和组成关系采用Wilson方程关联 1lnγ=-ln(x11

x122

)x2

( 12xx1 12

x2

)lnγ2=-ln(x

x)x( 21 x

12 )2 21

1 2

x21

xx1 122目标函数选为气相组成误差的平方和,即F=m(y -y 2+(y -y )21实1计jj1

2实2计j用非线性最小二乘法拟合：matlab拟合程序见下:functionF=li(bb)x1=[0.2140.3040.4120.4660.568]x2=[0.7860.6960.5880.5340.432]y1=[0.2440.4500.5080.5920.688]y2=[0.7560.5500.4920.0.4080.312]p10=[1168.05998.21979.10929.90878.77]p20=[681.49575.69563.86533.48502.04]fori=1:4F(i)=y1(i)-p10(i)*x1(i)/760*exp(-log(x1(i)+bb(1)*x2(i))+x2(i)*(bb(1)/(x1(i)+bb(1)*x2(i))-bb(2)/(x2(i)+bb(2)*x1(i))))endfori=5:8j=i-4F(i)=y2(j)-p20(j)*x2(j)/760*exp(-log(x2(j)+bb(2)*x1(j))+x1(j)*(bb(2)/(x2(j)+bb(2)*x1(j))-bb(1)/(x1(j)+bb(1)*x2(j))))end运行得：bb=0.0737 2.6058Resnorm=0.0137即所得的二元配偶参数Λ

=0.0737;Λ

=2.6058，方差为0.0137。12 21（2）计算苯的气相浓度：取平衡温度87.90℃为例：rexp0.07370.5880.588

0.0737 -

2.6058

0.9609 1 rxp0 0.96090.412

0.4120.07370.5880.5882.60580.412y111 0.511 p 760分别计算五组数据可得表5表5苯的计算气相浓度9488.5587.9086.159488.5587.9086.1584.2521.430.441.246.656.824.445.050.859.268.832.638.551.055.0364.1X（%）X1,实验Y（%）Y1,实验Y（%）Y1,计算得到实验和计算的t-x-y相图如下：（六）结果分析讨论1）实验结果讨论从实验的结果的相图和气相组成的实验值和计算值的比较来看，本次实验测得以及回归所得实验数据可靠，误差均在实验允许范围内。从相图可以看出，第一点的数据误差大，估计和操作有关，但总体来说本实验数据很好的体现了常规二元气液平衡相图